咀嚼が睡眠・覚醒リズムおよび生体に及ぼす影響についての研究

スタンフォード大学医学部

姉川絵美子

Research Assistant（現 久留米大学医学部緒助教）

飼料のみで飼育した群（powder diet: PD）と通常固形飼

言

咀嚼回数の減少と、睡眠時間の短縮 / 不規則化には、料で飼育した群（solid diet; SD）をそれぞれ 10 匹ずつ、共通のメカニズム、もしくは直接的な因果関係があるか合計 20 匹生育させた。粉末飼料は通常固形飼料を粉末もしれない。近年、加工食品の氾濫により、食品の軟食状にすりつぶしたものを用い、それぞれ個別のケージに化の傾向が進んでいる。 その結果として小児の発育過て自由摂餌・自由摂水下で飼育した（12:12 light–dark

程における咀嚼回数の減少が顕著となり、肥満、脳内循cycle （lights on at 07:00 h; zeitgeber time [ZT] 0, with

環血流量の低下、記憶・学習能力の低下、顎骨形態の異room temperature at 23 ± 2 ℃）。 当 該 実 験 に お い て、常など、様々な影響を及ぼすことが報告されている。ま行動量の固体差はデータのバイアスとなるため、実験にた高齢化にともなった老年期における非経口栄養管理も移る前にマウスの行動量を測定し、差が少ないマウスを咀嚼回数の減少を招き、認知症や脳機能の憎悪を昂進す両群より選出した。方法は、環境への適応期間として、1)る要因ともなる。Mitome らは、発育過程において粉記録する 1 週間前より home cage に移動させて飼育し、末飼料を与え続けると、海馬領域の神経新生が減少する

MicroVAX single axis home cage monitoring system を事を明らかにし、咀嚼が脳の機能維持に重要な因子の一用いて 24 時間行動量を記録した。得られたデータは2)つであると述べた。また Onozuka らは、咀嚼刺激がMicroMax130 ソフトウェアにて解析し、ほぼ結果の似脳の広範な領域の神経活動を上昇させると、脳血流量が通ったマウスのみ実験用マウスとして 8 匹ずつ、合計増加し、学習・記憶能力の低下、海馬の神経活動の減少

16 匹抽出した。

3)が見られると示唆している。また、Sakata は咀嚼刺激が、脳内ヒスタミンの放出を制御することを明らかにし2. 睡眠データおよび、行動量・体温を集積する為のた。このヒスタミン神経系は汎投射で、海馬以外にも、インプラント手術大脳皮質、視床に密に投射し、摂食抑制やエネルギー代

25 週齢時に 16 匹全てに対して手術を行った。手術

謝促進（内蔵脂肪燃焼促進）に影響を及ぼす。また、後は十分な麻酔管理のもと頭蓋骨にドリリングし、前頭皮部視床下部の脳内ヒスタミンは、覚醒アミンとして概日質より脳電図（EEG）、頸部僧帽筋より 筋電位（EMG）をリズムにも影響を及ぼすことが知られている。これらの記録するため、ステンレスワイヤーのケーブル電極を埋ことより、咀嚼刺激が、覚醒を誘発し睡眠を阻害するヒ入し、歯科用レジンにて固定する。さらに体温（テレメスタミンの放出を制御していることが想像されるが、咀トリーシステムによる腹腔内体温）、行動（情動行動、自嚼刺激と概日リズムについて直接的な因果関係を報告し発行動量）を記録するため、テレメトリーを腹膜上に埋た例は未だない。今回我々は “ 食物の形状が睡眠にも影入し絹糸にて固定する。

響を及ぼす ” という仮説を立て、これを明らかにする為の実験系を作成した。

3. 実験 1: 両群の体重変化
マ ウ ス の 体 重 は、 電 子 ス ケ ー ル を 用 い て 65、90、実験

方116、196、250 日齢時に測定を行った。両群の比較に法

は Two–way repeated measures ANOVA を用いた。

1. 動物実験
Wister 系雄性マウスを生後 25 日齢より離乳し、粉末

1

姉川絵美子4. 実験 2: 睡眠ポリグラフ（EEG/EMG、体温、行動量 )7. 実験 5: 頭蓋顔面形態の評価
実験 4 の後、H2CO3 内でマウスの頭部を煮沸する事を 24 時間記録し、睡眠の様相を体系的に解析する-Baselineにより、頭蓋骨周囲の軟組織を完全に除去し、自然乾データの集積は、手術 2 週間後に開始する。当施設

燥ののち顎骨の形態評価を行った。計測項目は、① : 頬が有する大規模なげっ歯類用の睡眠ポリグラフを用い、骨幅径（頬骨弓の左右間最大幅径）、② : 上顎長径（上顎切睡眠脳波（EEG）、筋電位（EMG）および、体温、行動量を歯間歯槽突起の唇側最突出部から前頭鼻骨縫合最前方記録する。これらのデータ解析には、睡眠解析ソフト

部間距離）、③ : 下顎長径（下顎切歯間歯槽突起の唇側最Sleep Sign ver.2.0（キッセイコムテック）を用いる。 睡突出部から下顎頭軟骨中心部までの距離）、④ : 下顎高4)眠パターン解析および評価法は、Fujiki らの方法に準径（下顎頭最上方部から下顎下縁平面に垂線を下ろしたじて行い、睡眠 – 覚醒サイクルを 3 段階にわけ（non-REM,長さ）、⑤ : 下顎角（下顎角部最後方突出部と下顎頭最後REM, Wake）、各ステージの相対量の割合や持続時間を方部を結ぶ線と下顎下縁平面との成す角）である。なお、算出し、両群を比較する。

長さの計測はノギスを用い、角度については分度器と定規を用いて計測を行った。計測は同一部位を 3 回計測し、計測値の平均をそれぞれの値とした。また、下顎5. 実験 3: 絶食を行い、食事再開後での急激な咀嚼刺激の再開の影響を観察する -Fasting sessions

長径、下顎高径、および下顎角に関しては、左右の値の絶食により脳内ヒスタミン遊離が増大することより、平均値とした。統計学的検討には、t – 検定（Bonferroni

睡眠 – 覚醒サイクルおよび体温調節の変化を分析し、そadjustment）を用いた。

れぞれの群におけるヒスタミンの変化や、絶食のリバウンドが概日リズム調節と、ホメオスタシス機構にどう

今 回 行 っ た 実 験 は 全 て 米 国 National Institutes of

影響を与えるか観察する。方法は 2 日間の絶食を行い、Health による ”Guide for the Care and Use of Laboratory

絶食時の覚醒・行動量を比較した。絶食（飲水可）は 2Animals” と、Stanford 大 学 に よ る “Stanford Policy of日間とし、絶食 2 日目から 24 時間、および食事再開後

the Use of Vertebrate Animals” に準じて行った。

24 時間の睡眠ポリグラフのデータ集積をおこない、実験 2 と同様にデータの集積および評価を行った。

実

験結果実験 1: 90 日齢時を除く全ての計測時において、PD 群
では SD 群に比較し有意な体重の増加を示した（図 1）。

6. 実験 4: 海馬歯状回領域（SGZ) での神経細胞新生の観察
神経幹細胞は SGZ の再内層で顕著に細胞分裂してお実験 2: Wake, NR, REM 別の 1 時間ごとの平均総和量り、その場でニューロンへと分化することより、免疫染で み た と こ ろ、SD に お い て light period （ 明 期： 睡 眠

色した脳切片の SGZ における新生細胞数を比較をした。
睡眠記録後、8 月齢で脳内新生神経細胞のマーカーであ る BrdU（5–btomo–2’–deoxyuridine） を マ ウ ス に 6 日間腹腔内投与し（50mg/kg/day）、投与翌日に灌流固定後、脳切片（組織を固定後、凍結させ、クライオスタッ
トで 40 μm の厚さに冠状切断）を免疫組織染色した。
染色は Fukuhara らのプロトコールに準じて用い、スライドグラスに封入した。各々のマウスの Bregma からの距離がほぼ等しい脳切片を用いて、SGZ を 3 つの領域（Molecular DG: MoDG, Granular DG:GrDG, Polymoroh
DG: PoDG）に分け、電子顕微鏡を用いて新生神経数の定量比較を行った。 定量は同一の研究者がブラインド方式で行った。統計学的検討として、Repeated measures

図 1 発育過程における体重変化
SD に比べ、PS の方が体重の増加が顕著に認められた。

ANOVA を用いた。
2

咀嚼が睡眠・覚醒リズムおよび生体に及ぼす影響についての研究期 ) での NREM、および dark period（暗期：活動期）でFasting の 一 時 間 あ た り の Wake の 総 量 を 比 較 す るの Wake の有意な減少を認め、PD は SD に比べ睡眠 /と、SD の dark period に お い て 顕 著 な 差 が 見 ら れ た

覚醒の概日変化が少なかった。また、24hr の Wake、（p=0.042）（図 4）。さらに各々の群について、Wake のNR、REM 別の総和はそれぞれ両群間に優位差はなかっ

1 時間ごとの平均総和量を比較したところ、SD では一た（図 2）。さらに、Wake, NREM, REM の Mean Episode

日を通してほぼ優位に増加し（p=0.042）、とくに darkDuration お よ び FFT パ ワ ー 値 は、light period で のperiod での増加が顕著であった（ p=0.027）。

NREM Episode は、PD の方が短く、総和量の比較にお一方、PD では増加量が少なく（p=0.63）、dark period

いて、light period の NREM の総和量が有意に少なかっの初期にのみ増加が見られた。また SD は、絶食により、た結果を反映している。一方、dark period では、PD のdark period における Wake の持続時間が優位に延長しNREM Episode が延長した（図 3）。

た（図 5）。

実験 3: Fasting session における PD 群の行動量および体温実験 4: SGZ のそれぞれの領域における、BrdU 標識細は、SD 群に比較し有意に少なかった（行動量 : p=0.011、胞数を多群間比較検定したところ、PD において有意に体 温 : p=0.013）。 ま た、 各 々 の 群 別 に、Baseline と少なかった（p=0.007）。領域別でも、MoDG で p=0.03、

図２ Wake, NR, REM 別の 1 時間ごとの平均総和量、および 24hr、light period、dark period における、Wake, NREM, REM 別の総和量の比較
PD は SD に比べ睡眠 / 覚醒の概日変化が少ない。また Light period において、Wake の総和量が多く、NREM は少ない。
3

姉

図３

川絵美子

Wake, NREM, REM の、Mean Episode Duration および FFT パワー値

light period での NREM Episode は、PD の方が短く、総和量の比較において、light period の NREM の総和量が有意に少なかった結果を反映している。 一方、dark period では、PD の NREM Episode が延長した。

図４48 時間の fasting、および recovery による行動量と体温への影響

SD の行動量は、餌の探索行動により著しく増加した。一方、PD では、SD に比べ行動量の増加量が少なく、体温の低下が著しい。
4咀嚼が睡眠・覚醒リズムおよび生体に及ぼす影響についての研究

6)

GrDG で p=0.02 となり、PoDG 以外の領域において PDで、Kiliaridis らの報告とは相反するものであった。今では有意に少ない結果となった（図 6）。

回、マウスの頭蓋顔面の形態は SD で有意に大きかった

実験 5: ①頬骨幅径：それぞれの平均は SD で 5.94 ±ことも体重増加の要因の一つであることが示唆され、さ0.08、PD で 5.39 ± 0.09 と な り、 有 意 差 を 認 め たらに脳重量や骨格筋の重量も検討する必要があったと考（p=0.002）②上顎長径：それぞれの平均は SD で 10.42えられる。9 月齢の別のマウスを用いた短期的な食事形± 0.15、PD で 9.46 ± 0.28 と な り、 有 意 差 を 認 め状の変化では、睡眠脳波に影響はなかったが、長期的なた（p=0.009）。 ③ 下 顎 長 径： そ れ ぞ れ の 平 均 は SD で咀嚼形態の変化は睡眠・行動パターンに有意な変化をも12.86 ± 0.18、PD で 11.94 ± 0.23 となり、有意差をたらし、PD において light period での NREM、および認めた（p=0.004)。④下顎高径：それぞれの平均は SD

dark period における Wake は減少しており、PD は SDで 6.20 ± 0.12、PD で 5.44 ± 0.13 となり、有意差をに比べ、昼夜の睡眠 / 覚醒量の変化が少なくなっていた。

認めた（p=0.001）。⑤下顎角：それぞれの平均は SD でまた、絶食中の睡眠および行動量に顕著な減弱がみられ102.56 ± 0.71、PD で 105.38 ± 0.79 となり、各群間たことより、これらの変化に中枢ヒスタミン神経伝達ので有意差は認められなかった（p=0.371）（図 7）。

変化の関与を含めた、睡眠および基本行動に影響を与える神経回路に影響を与えた可能性が考えられる。SGZ に考

おける新生神経細胞数は、PD で有意に少なく、発育過察

発育過程における長期的な咀嚼形態の変化は、概日リ程における咀嚼機能の確立が、概日リズムのみならず、ズム、成長発育、および脳機能に変化を与えた。PD で成熟マウスの脳機能の維持にも関与することが明らかと5)の有意な体重の増加は、Watt らの報告と一致した一方図5なった。よって咀嚼量の減少に起因する light period に

1 時間ごとの平均総和量、および Wake, NREM, REM における Mean Episode Duration の、ベースラインと絶食 2 日目の比較
5

姉

図6

川絵美子

海馬 (SGZ) の新生神経細胞数の比較響PD の標識細胞の総数は有意に少なく、領域別でも PoDG 以外の領域において有意に少ない。

図7

発育過程における顎骨形態の変化（評価項目と結果）
6

咀嚼が睡眠・覚醒リズムおよび生体に及ぼす影響についての研究

おける睡眠量（NREM）、および dark period における覚能に関与しているか、その因果関係を解明することも重醒量（Wake）の減少は、脳機能の破綻にもつながる可能要な課題である。

性が示唆された。また発育過程において、食物形状のような環境要因を変化させると、顎骨などの咀嚼器官の形謝態に影響を及ぼすと考えられる。

辞本研究の遂行のために、公益財団法人三島海雲記念財団より研究助成を賜りましたことを深く感謝申し上げます。

要

約以上の結果から、概して PD は生体に negative な影文献1) Mitome M, et al.: Neuroreport 16, 249–252, 2005.

響を受けていたことが示唆される。本マウスはメタボ

2) Onozuka M, et al.:, J. Dent Res . 82（8）, 657–660, 2003.

リックシンドロームのモデルマウスになる可能性も秘め

3) Sakata T, et al.: Nutrition 13, 403–411, 1997.ていると考えられ、今後これらの変化が咀嚼量 / 頻度の

4) Fujiki N, et al: Experimental neurology , 217, 46–54, 2009.

差によるものか、もしくは、摂食行動パターンの変化に

5) WATT DG, WILLIAMS CH: Am J Orthod ., 37（12）, 895–

よるものかについて、交絡因子の更なる検討が必要であ

928, 1951.
6) Kiliaridis, et al: Eur J Orthod ., 7（4）, 273–83, 1985.

る。さらに、咀嚼量 / 頻度の減少が、睡眠や行動に及ぼす影響が、どのように脳内ヒスタミン神経系などの脳機7